高寒地區(qū)不同退化草地植被特性和土壤固氮菌群特性及其相關(guān)性

李建宏,李雪萍,盧 虎,姚 拓,*,王理德,郭春秀,師尚禮

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院, 蘭州 730070 2 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 蘭州 730070 3 深圳市芭田生態(tài)工程股份有限公司博士后研究中心,深圳 518105

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高寒地區(qū)不同退化草地植被特性和土壤固氮菌群特性及其相關(guān)性

李建宏1,2,李雪萍1,2,盧 虎1,3,姚 拓1,2,*,王理德1,2,郭春秀1,2,師尚禮1,2

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院, 蘭州 730070 2 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 蘭州 730070 3 深圳市芭田生態(tài)工程股份有限公司博士后研究中心,深圳 518105

選取東祁連山不同退化程度的高寒草地為研究對象,調(diào)查研究其植物種類、植被蓋度、高度、地上生物量等植物指標以及土壤好氣性自生固氮菌和嫌氣性自生固氮菌數(shù)量,在此基礎(chǔ)上,采用 real-time PCR 的方法擴增nifH基因,測定不同退化程度草地土壤中固氮菌相對于土壤總細菌的量,以探討草地退化過程中植被及土壤固氮菌群的變化規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著退化程度的加深,草地植物種類逐漸減少,并且優(yōu)勢植物發(fā)生變化,毒雜草逐漸增多,植被的高度、蓋度、地上生物量都逐漸降低。對土壤固氮菌的研究則表明,土壤好氣性自生固氮菌和嫌氣性自生固氮菌的數(shù)量在不同退化草地隨草地退化程度的加重而減少,在同一退化程度草地土壤則是隨土層深度加深而下降。對土壤固氮菌nifH基因擴增的結(jié)果也表明隨著退化加劇,土壤固氮菌相對于土壤總細菌的比例在降低,進一步說明草地退化過程中土壤固氮菌不僅是數(shù)量上的下降,更是群落結(jié)構(gòu)層面的變化。對植被特性和土壤固氮菌含量的相關(guān)分析表明,植被特性和土壤中固氮菌含量呈顯著相關(guān)。研究從土壤固氮菌群的角度研究了草地退化的過程,說明了二者具有協(xié)同性,研究和治理草地退化必須重視土壤功能菌群尤其是固氮菌群的作用。

高寒草地；草地退化；植被特性；固氮菌；nifH基因

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地上最重要的生態(tài)系統(tǒng),具有防風、固沙、保土、調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣和涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能,對于地球生物圈的穩(wěn)定與平衡和人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。我國是世界第二大草原國家,草地資源在國土資源中占據(jù)相當重要的地位,具有極其重要的生態(tài)價值、經(jīng)濟價值和社會價值[1]。但是,近年來,隨著居民生活水平的提高以及對肉、奶等畜產(chǎn)品和草原旅游文化需求的不斷提升,人類對草地資源進行過度開發(fā)和利用,草地生態(tài)系統(tǒng)的平衡遭遇嚴重破壞。目前,我國已成為世界上草原退化最嚴重的國家,90%的可利用草原都出現(xiàn)了不同程度的退化[2]。草地退化的同時也引發(fā)了一系列嚴重問題,包括地上植物群落物種組成和比例發(fā)生變化,牧草品質(zhì)和產(chǎn)量下降,草畜矛盾突出,草地碳儲量降低,溫室氣體排放增加,物種多樣性失衡和減少,災(zāi)害天氣頻發(fā)等,草地退化已經(jīng)成為影響我國草地生態(tài)、經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展的限制因子。

近些年,隨著研究和實踐的深入,越來越多的研究者和管理者認識到草地退化不僅是地表植被的退化,更與土壤退化具有密切聯(lián)系。植被退化是草原土壤退化的直接原因,而土壤退化也必然引起植被退化,二者互為因果。侯扶江、南志標等[3]認為草地退化過程不但是植被和土壤層面的退化,更是這兩個系統(tǒng)耦合關(guān)系的喪失和系統(tǒng)相悖所導致的。筆者課題組在研究高寒草地退化機理時發(fā)現(xiàn),伴隨著草地植被退化,草地土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)等都發(fā)生了顯著的變化[4-5]。

事實上,在草原生態(tài)系統(tǒng)中,土壤微生物的活性直接影響著土壤肥力,進而控制著土壤健康狀況和草地植物生長發(fā)育。同時,土壤微生物受土壤環(huán)境和生物多樣性的影響,并隨草地健康狀況變化而改變,揭示和指示草地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。固氮菌是土壤中一類重要的功能微生物,在土壤氮素循環(huán)中發(fā)揮著無可替代的作用,對于土壤系統(tǒng)乃至整個生態(tài)系統(tǒng)的健康有序發(fā)展具有極其重要的意義[6-7]。因此,土壤固氮菌是衡量土壤質(zhì)量的重要指標,但目前有關(guān)草地退化對土壤固氮菌群落影響的研究還未見報道。本研究選取不同退化程度的高寒草地為研究對象,探討土壤固氮菌群特性與草地植被特性之間的關(guān)系,以期從功能微生物的角度分析草地退化機理,為高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的保育及恢復(fù)工程提供理論依據(jù)和科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于甘肅省武威市天祝藏族自治縣抓喜秀龍溝甘肅農(nóng)業(yè)大學高山草原試驗站(坐標為37°11′—37°13N′,102°29′—102°33′E),海拔為2960—2990 m,氣候寒冷潮濕,年均溫-0.1℃,>0℃年積溫1380℃,水熱同期,年平均降水量416 mm,多為地形雨,集中于7—9月,年蒸發(fā)量1592 mm。年日照時數(shù)2600 h；無絕對無霜期,僅分冷、熱2季。植被以早熟禾(Poa)、嵩草(Kobresiabellardii)、苔草(Carex)、針茅(Stipacapillata)、金露梅(Potentillafruticosa)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、棘豆(Oxytropis)、委陵菜(Potentillachinensis)、甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)等為主。土壤以亞高山黑鈣土、亞高山草甸土為主,有機質(zhì)含量10%—16%,水分含量40%—80%,全磷含量0.056%-—0.071%,全氮含量0.5%—0.8%,pH為7.0—8.2[4]。

1.2 樣地植物特性調(diào)查

以《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級標準》(GB19377—2003)[8]為依據(jù),在綜合考慮植被、土壤等各因子的基礎(chǔ)上,將研究區(qū)內(nèi)草地劃分為重度退化、中度退化、輕度退化3個退化等級(表1),在每種退化程度草地上隨機選取3個的樣方,調(diào)查并準確記錄每個樣方內(nèi)的植物種類、蓋度、高度等指標。植被蓋度采用針刺法測量,高度采用樣方內(nèi)群落自然高度的平均值[9]。

表1 樣地概況

SDG: 重度退化草地severe degraded grassland;MDG： 中度退化草地moderate degraded grassland;LDG： 輕度退化草地light degraded grassland

1.3 樣品采集

采樣時間為2015年7月,刈割1.2所述樣方內(nèi)植物的地上部分,除去雜質(zhì)后封裝。然后分0—10、10—20 cm和20—30 cm 3個深度分別采集樣方內(nèi)土壤樣品,裝入無菌容器密封后低溫運輸至實驗室進行測定。

1.4 土壤固氮菌的測定

1.4.1 好氣性自生固氮菌的測定

采用改良阿須貝(Ashby)無氮培養(yǎng)基,平板涂布法測定好氣性自生固氮菌[10]。阿須貝無氮培養(yǎng)基配方為：葡萄糖10 g、K2HPO40.2 g、MgSO4·7H2O 0.2 g、K2SO40.2 g、NaCl 0.2 g、CaCO35 g、瓊脂18 g、蒸餾水1000 mL。

1.4.2 嫌氣性自生固氮菌的測定

采用玉米面培養(yǎng)基,平板涂布法測定嫌氣性自生固氮菌[10]。培養(yǎng)基配方為：玉米面5 g、CaCO30.5 g、自來水1000 mL。

1.5 土壤固氮菌nifH基因的測定

采用 real-time PCR 方法測定土壤中固氮菌的含量相對于土壤總細菌的量,以百分比表示[11]。

1.5.1 基因組 DNA 的提取及檢測

土壤總 DNA 的提取釆用OMEGA Soil DNA isolation kit(OMEGA, USA),步驟參照說明書。Total DNA 質(zhì)量及濃度檢測使用紫外分光光度計(Beckman DU 640,USA)法測定。

1.5.2 Real-time PCR 引物

土壤總細菌16S rRNA基因片段擴增采用的引物是341F (5′- CCTACGGGAGGCAGCAG- 3′)和518R (5′- ATTACCGCGGCTGCTGG- 3′)[12]。固氮菌nifH基因擴增所采用的引物是的Pol F (5′-TGCGAYCCSAARGCB GACTC - 3′) 和Pol R(5′-ATSGCCATCATYTCRCCGGA- 3′)[13]。引物由上海派森諾生物科技有限公司合成。

1.5.3 Real-time PCR 程序

用SYBR Premix Ex TaqTM(TaKaRa Shuzo,Osaka,Japan)建立反應(yīng)體系,具體為：DNA模板2 μL、上游和下游引物各0.5 μL、SYBR Green I 熒光染料預(yù)混試劑10 μL、ddH2O 12 μL。

擴增條件為：95℃預(yù)變性30 sec,95 ℃變性5 sec,60℃退火和延伸20 sec并采集熒光信號,45次循環(huán)。

1.5.4 Real-time PCR數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以下公式計算土壤中固氮菌的含量相對于土壤總細菌的量：

目標菌(%總菌 16S rDNA)= 2-(Ct target - Ct total bacteria)× 100,Ct target為目標菌引物所測Ct 值,Ct total bacteria為以總細菌為引物所得的Ct 值[11]。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007整理數(shù)據(jù),DPS v 7.65軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退化草地植被特征

陳慶彩等人[9]研究發(fā)現(xiàn)以鼠李糖乳桿菌和瑞士乳桿菌二者進行共培養(yǎng)和發(fā)酵，在初始酸堿度值6.8，接種量6%，發(fā)酵溫度37℃，鼠李糖乳桿菌與瑞士乳桿菌的接種比例2∶1，除此之外，瑞士乳桿菌提前接種3 h，在這個條件下，得到乳酸菌的活菌數(shù)最高。吳楠等人[10]研究發(fā)現(xiàn)影響德氏乳桿菌活菌數(shù)的主要因素是發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間與接種量，其中發(fā)酵時間為最重要的影響因素。

2.1.1 植物種類

如表2所示,草地退化程度對植物種類有強烈的影響,退化程度越嚴重,植物種數(shù)越少,輕度退化草地有高達20種植物,而重度退化草地僅有11種。另外,由表還可以發(fā)現(xiàn),隨著退化程度的加劇,草地上出現(xiàn)了醉馬草、狼毒等毒雜草,這些毒雜草的出現(xiàn)也是草地質(zhì)量變差、生產(chǎn)力下降的標志。就優(yōu)勢種來看,無論哪種退化程度,披堿草都是主要優(yōu)勢種之一。而隨著退化程度加深,可以發(fā)現(xiàn),委陵菜逐漸成為了優(yōu)勢種。

表2 草地植物種類

2.1.2 植物群落高度和蓋度

植物群落是特定環(huán)境下各植物種群在長期的演替過程中通過復(fù)雜的種間關(guān)系而形成的具有特定結(jié)構(gòu)的集合體,是反應(yīng)環(huán)境條件的重要指標。如表3,隨著退化的加深,植物的高度逐漸降低,在重度退化的草地上,平均高度僅有1.8 cm,植物貼伏地面生長,而輕度退化的草地則高達44.1 cm,差異十分明顯。植被的蓋度也呈現(xiàn)相似規(guī)律,但隨退化的加劇下降幅度較低。研究結(jié)果反應(yīng)草地退化對植物群落從垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)兩個層面都有明顯的影響,垂直結(jié)構(gòu)層面的影響更為劇烈。

表3 不同退化草地植被特征

同列不同字母表示差異顯著(P﹤0.05)

2.1.3 草地地上生物量

地上生物量是反應(yīng)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的最重要、最直觀的指標。如表3,與群落高度和蓋度兩個指標相似,隨退化的加劇,草地的地上生物量急劇下降,草地地上生物量與群落高度及蓋度變化一致,隨退化程度的加深而數(shù)量遞減。與輕度退化草地相比,中度退化的草地地上生物量下降了47.2%,而重度退化草地則高達92%。

2.2 不同退化草地土壤固氮菌組成

2.2.1 好氣固氮菌

圖1 不同退化草地好氣自生固氮菌數(shù)量變化動態(tài) Fig.1 Different degraded grassland aerobic nitrogen-fixing bacteria quantity change dynamically同列不同字母表示差異顯著(P﹤0.05),“SDG”、“MDG”和“LDG”分別代表“重度退化草地”、“中度退化草地”和“輕度退化草地”

2.2.2 嫌氣固氮菌

如圖2所示,同一退化程度草地,不同土層土壤中嫌氣性固氮菌的數(shù)量不同,基本都呈現(xiàn)土層越深,數(shù)量越少的規(guī)律,但隨土層加深而減少的幅度比好氣性自生固氮菌低,以輕度退化草地為例,0—10 cm土層土壤中為3.59×104cfu/g,20—30 cm土層為3.22×104cfu/g,而20—30 cm 土層則減少為2.66×104cfu/g,其他各退化程度草地都呈這一趨勢。而不同退化程度草地同一土層中的嫌氣性固氮菌數(shù)量不同,以0—10 cm土層為例,輕度退化草地土壤中嫌氣性自生固氮菌數(shù)量為3.59×104cfu/g,中度退化草地為1.41×104cfu/g,而重度退化草地僅為0.56×104cfu/g。由此可見,隨著退化的發(fā)生,植被的退化和好氣性固氮菌、嫌氣性固氮菌數(shù)量的減少是一個統(tǒng)一的過程。

2.3 草地退化對土壤固氮菌nifH的影響

從基因的層面研究草地退化過程中固氮菌的變化,得到的結(jié)果與純培養(yǎng)法得到的結(jié)果類似,都是隨著退化程度的增大而減少,固氮菌是土壤中的重要功能菌,對于土壤中的氮素循環(huán)具有重要作用,圖3的結(jié)果顯示了草地退化過程中土壤中固氮菌相對于土壤總細菌的比例在降低,如0—10 cm的土壤中,中度退化草地固氮菌的比例相對于輕度退化草地固氮菌的比例下降了26.9%,而重度退化草地又較中度退化草地下降了13.2%,因此,土壤中固氮菌的含量受草地退化程度的影響十分顯著。另外,還可以發(fā)現(xiàn),土壤中固氮菌的分布是隨土層深度的加深而減少的,各退化程度草地都呈同樣規(guī)律,好氣性自生固氮菌和嫌氣性自生固氮菌的純培養(yǎng)實驗結(jié)果也支持這一結(jié)論。

圖2 不同退化草地嫌氣性自生固氮菌數(shù)量變化動態(tài) Fig.2 Different degraded grassland aerobic nitrogen-fixing bacteria quantity change dynamically

圖3 不同退化草地土壤固氮菌nifH的變化動態(tài) Fig.3 different degraded grassland soil azotobacter nifH changes dynamically

2.4 草地退化過程植被與土壤固氮菌相關(guān)性分析。

如表4所示,植被各特性之間存在顯著的相關(guān)性,如蓋度和高度,以及蓋度、高度和地上生物量之間均為極顯著正相關(guān)關(guān)系,說明草地退化過程并不是某一個層面上的退化,是多層面、全面的過程。而固氮菌群各指標之間也存在顯著的相關(guān)性,這也證明了運用nifH基因豐度為研究土壤固氮菌群結(jié)構(gòu)是準確合理的。另外,植被特性與固氮菌特性之間也具有相關(guān)性。說明了在草地生態(tài)系統(tǒng)中,植物和土壤中的功能微生物是息息相關(guān)的,也說明土壤固氮菌可以作為草地退化的監(jiān)控和評價指標。

表4 草地退化過程植被與土壤固氮菌相關(guān)性分析

*P<0.05, **P<0.01

3 討論

3.1 土壤自生固氮菌和nifH基因

本研究發(fā)現(xiàn)土壤自生固氮菌和nifH基因的變化規(guī)律能很好的吻合,目前發(fā)現(xiàn)的土壤固氮菌不僅有自生固氮菌,還有共生固氮菌和聯(lián)合固氮菌,分屬于59個屬,但它們都是原核生物[14]。所有的固氮菌都含有固氮酶,該酶由nifD和nifK基因編碼的鉬鐵蛋白和由nifH基因編碼的鐵蛋白構(gòu)成的[15],即所有的固氮菌都含有nifH基因,另一方面,nifH基因也是長期進化過程中最古老的功能基因,其只存在于固氮微生物中[16],系統(tǒng)進化關(guān)系與16S rDNA 相一致。因此,nifH基因是研究固氮菌群落結(jié)構(gòu)最好的標記基因,前人在此方面進行了大量的研究,眾多的研究資料顯示,在不同自然環(huán)境中的nifH基因呈現(xiàn)出差異性和多樣性,固氮菌的群落結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出明顯的差異[17],本研究驗證了nifH基因在研究高寒草地和草地退化方面具有優(yōu)勢,是草地退化的監(jiān)控和研究工作中的有力工具。

3.2 土壤固氮菌與草地退化

土壤固氮菌是一種具有特殊功能的菌群,可以將空氣中的N2在固氮酶的作用下還原為植物可以吸收和利用的離子態(tài)氮,研究這類具有特殊功能的菌群有助于揭示功能微生物在草地植被演替中的作用,如氮循環(huán)等。本研究發(fā)現(xiàn),在草地退化過程中,土壤好氣性自生固氮菌、嫌氣性自生固氮菌的數(shù)量都隨退化程度的加深而下降,固氮菌nifH豐度也在顯著下降。這表明草地退化對土壤固氮菌存在嚴重的抑制作用,且退化程度越高,抑制作用越大。譚紅妍[18]、文都日樂[19]等研究了放牧對草地微生物的影響,結(jié)果都顯示隨放牧壓力的增大,土壤固氮菌群數(shù)量在減少,這與本文的結(jié)論吻合。生物固氮的固氮量每年可達 200—300 kg/hm2[20],對于沒有額外人工氮素施入的天然草地來說,意義極為重大,可以說,生物固氮是草地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。而退化卻嚴重抑制了固氮菌的生長,直接危害是導致固氮量的下降,固氮量下降的直接結(jié)果是流入系統(tǒng)的氮素減少,植物生長進一步受到抑制,退化加重。草地的發(fā)展陷入惡性循環(huán)。因此,本研究提示我們,固氮菌不僅可以作為草地退化程度的指標,而且研究和治理草地退化也必須重視土壤功能菌群尤其是固氮菌群的作用。

3.3 草地退化過程中植被演替與土壤微生物

本研究對植被和土壤固氮菌群相關(guān)性分析的結(jié)果表明：草地植被的演替與土壤微生物菌群的變化具有顯著相關(guān)的關(guān)系。草地退化最直觀的表現(xiàn)就是天然植被的演替,而地表植物群落與土壤微生物群落多樣性的關(guān)系是生態(tài)學研究中重要的方面[21]。有研究表明,肥沃程度較低的草原土壤微生物生物量高于肥沃程度較高的草原土壤,這一變化的實現(xiàn)是通過調(diào)控土壤中氮(N)元素的含量來完成的[22-23],在此過程中起直接作用的便是土壤固氮菌群。與此相應(yīng),土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)也同時發(fā)生了變化,肥沃程度較高的草原土壤中細菌含量高于肥沃程度低的土壤,而真菌含量低于肥沃程度低的土壤[24]。這些結(jié)果表明了土壤微生物的結(jié)構(gòu)和群落數(shù)量與草原土壤基質(zhì)的性質(zhì)相關(guān)。Grayston 等[25]利用群落DNA技術(shù)、PLFA技術(shù)和CLPP技術(shù)相結(jié)合的方法細致的分析探討了溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落的功能和結(jié)構(gòu),得到了相似的結(jié)論。但也有相反的例子,如Chabrerie.[26]研究了法國西北部人工草原的土壤微生物和植物群落的關(guān)系,結(jié)果顯示了微生物群落的變化并不依賴于植物群落的演替,微生物群落的趨異程度與土壤濕度、糖及可溶性碳的含量正相關(guān),而與木質(zhì)素的含量負相關(guān),綜合而言植被和環(huán)境因子表現(xiàn)出了復(fù)雜的相互關(guān)系。Kowalchuk 等[27]等的報道中也得到了相似的結(jié)論。因此,土壤微生物與草原植物群落的關(guān)系并不是簡單的對應(yīng)關(guān)系,而是一個非常復(fù)雜的關(guān)系。本研究結(jié)果初步顯示了固氮菌群與植物群落的重要性,但其互作的機理,還需要進一步的研究。

4 結(jié)論

草地退化過程中,隨著退化程度的加深,草地植物種類逐漸減少,并且優(yōu)勢植物發(fā)生變化,毒雜草逐漸增多,植被的高度、蓋度、地上生物量都逐漸降低。對土壤固氮菌的研究則表明,土壤好氣性固氮菌和嫌氣性固氮菌的含量受到退化程度和土層深度的影響,退化程度越深,固氮菌含量越低,土層越深,固氮菌含量越低。對土壤固氮菌nifH基因擴增的結(jié)果也表明隨著退化加劇,土壤固氮菌相對于土壤總細菌的比例在降低,進一步說明草地退化過程中土壤固氮菌不僅是數(shù)量上的下降,更是群落結(jié)構(gòu)層面的變化。對植被特性和土壤固氮菌含量的相關(guān)性分析表明,植被特性和固氮菌含量呈顯著相關(guān)。因此,研究和治理草地退化就必須重視土壤功能菌群尤其是固氮菌群的作用。

[1] 方精云, 白永飛, 李凌浩, 蔣高明, 黃建輝, 黃振英, 張文浩, 高樹琴. 我國草原牧區(qū)可持續(xù)發(fā)展的科學基礎(chǔ)與實踐. 科學通報, 2016, 61(2): 155- 164.

[2] 張英俊. 草地退化原因及防治對策 // 2007年年中國草學會青年工作委員會學術(shù)研討會論文集. 海口: 中國草學會, 2007: 163- 165.

[3] 侯扶江, 南志標, 肖金玉, 常生華. 重牧退化草地的植被、土壤及其耦合特征. 應(yīng)用生態(tài)學報, 2002, 13(8): 915- 922.

[4] 盧虎, 姚拓, 李建宏, 馬文彬, 柴曉虹. 高寒地區(qū)不同退化草地植被和土壤微生物特性及其相關(guān)性研究. 草業(yè)學報, 2015, 24(5): 34- 43.

[5] 盧虎, 李顯剛, 姚拓, 蒲小鵬. 高寒生態(tài)脆弱區(qū)“黑土灘”草地植被與土壤微生物數(shù)量特征研究. 草業(yè)學報, 2014, 23(5): 214- 222.

[6] 張亮, 楊宇虹, 李倩, 吳葉寬, 黃建國. 自生固氮菌活化土壤無機磷研究. 生態(tài)學報, 2013, 33(7): 2157- 2164.

[7] 張亮, 袁玲, 黃建國. 自生固氮菌對土壤鉀的活化作用. 土壤學報, 2015, 52(2): 399- 405.

[8] 蘇大學, 張自和, 陳佐忠, 胡興宗. GB 19377- 2003 天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標. 北京: 中國標準出版社, 2004.

[9] 師尚禮. 草地工作技術(shù)指南. 北京: 金盾出版社, 2009.

[10] 姚拓, 龍瑞軍, 師尚禮, 張德罡. 高寒草地不同擾動生境土壤微生物氮素生理群數(shù)量特征研究. 土壤學報, 2007, 44(1): 122- 129.

[11] 吳小虎. 氟磺胺草醚對土壤微生物多樣性的影響[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學院, 2014.

[12] Muyzer G, de Waal E C, Uitterlinden A G. Profiling of complex microbial populations by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerase chain reaction-amplified genes coding for 16S rRNA. Applied and Environmental Microbiology, 1993, 59(3): 695- 700.

[13] Poly F, Monrozier L J, Bally R. Improvement in the RFLP procedure for studying the diversity ofnifHgenes in communities of nitrogen fixers in soil. Research in Microbiology, 2001, 152(1): 95- 103.

[14] 宋成軍, 馬克明, 傅伯杰, 曲來葉, 劉楊. 固氮類植物在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的作用研究進展. 生態(tài)學報, 2009, 29(2): 869- 877.

[15] Zehr J P, Jenkins B D, Short S M, Steward G F. Nitrogenase gene diversity and microbial community structure: a cross-system comparison. Environmental Microbiology, 2003, 5(7): 539- 554.

[16] 張晶, 張惠文, 李新宇, 蘇振成, 張成剛. 土壤微生物生態(tài)過程與微生物功能基因多樣性. 應(yīng)用生態(tài)學報, 2006, 17(6): 1129- 1132.

[17] 康文龍, 臺喜生, 李師翁, 董康, 劉光琇, 張威. 祁連山高寒草原堿性土壤固氮微生物數(shù)量及固氮基因(nifH)群落結(jié)構(gòu)研究. 冰川凍土, 2013, 35(1): 208- 216.

[18] 譚紅妍, 閆瑞瑞, 閆玉春, 陳寶瑞, 辛曉平. 不同放牧強度下溫性草甸草原土壤生物性狀及與地上植被的關(guān)系. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2014, 47(23): 4658- 4667.

[19] 文都日樂, 張靜妮, 李剛, 易津, 張永生, 楊殿林. 放牧干擾對貝加爾針茅草原土壤微生物與土壤酶活性的影響. 草地學報, 2010, 18(4): 517- 522.

[20] 韓斌, 孔繼君, 鄒曉明, 鞏合德. 生物固氮研究現(xiàn)狀及展望. 山西農(nóng)業(yè)科學, 2009, 37(10): 85- 89.

[21] Wardle D A, Bardgett R D, Klironomos J N, Set?l? H, van der Putten W H, Wall D H. Ecological linkages between aboveground and belowground biota. Science, 2014, 304(5677): 1629- 1633.

[22] Bardgett R D, Hobbs P J, Frosteg?rd ?. Changes in soil fungal: bacterial biomass ratios following reductions in the intensity of management of an upland grassland. Biology and Fertility of Soils, 1996, 22(3): 261- 264.

[23] Bardgett R D, Leemans D K, Cook R, Hobbs P J. Seasonality of soil biota of the grazed and ungrazed hill grasslands. Soil Biology and Biochemistry, 1997, 29(8): 1285- 1294.

[24] Bardgett R D, Wardle D A, Yeates G W. Linking above-ground and below-ground interactions: how plant responses to foliar herbivory influence soil organisms. Soil Biology and Biochemistry, 1998, 30(14): 1867- 1878.

[25] Grayston S J, Campbell C D, Bardgett R D, Mawdsley J L, Clegg C D, Ritz K, Griffiths B S, Rodwell J S, Edwards S J, Davies W J, Elston D J, Millard P. Assessing shifts in microbial community structure across a range of grasslands of differing management intensity using CLPP, PLFA and community DNA techniques. Applied Soil Ecology, 2014, 25(1): 63- 84.

[26] Chabrerie O, Laval K, Puget R, Desaire S, Alard D. Relationship between plant and soil microbial communities along a successional gradient in a chalk grassland in north-western France. Applied Soil Ecology, 2013, 24(1): 43- 56.

[27] Kowalchuk G A, Buma D S, de Boer W, Klinkhamer G L, van Veen J A. Effects of above- ground plant species composition and diversity on the diversity of soil-borne microorganisms. Antonie van Leeuwenhoek, 2012, 81(1/4): 509- 520.

Characteristics of, and the correlation between, vegetation and N-fixing soil bacteria in alpine grassland showing various degrees of degradation

LI Jianhong1,2, LI Xueping1,2, LU Hu1,3, YAO Tuo1,2,*, WANG Lide1,2, GUO Chunxiu1,2, SHI Shangli1,2

1CollegeofPrataculture,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China2KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem,MinistryofEducation,Lanzhou730070,China3Post-DoctorateResearchCentreinBatianEco-EngineeringCo.,Ltd,Shenzhen518105,China

China has some of the most serious grassland degradation in the world, with about 90% of the available grassland being subject to various degrees of degradation. The grassland shows surface vegetation degradation, and there is a close relationship with soil degradation. Self N-fixing bacteria have an important impact on soil quality. In this study, alpine grasslands that had suffered different levels of degradation were selected as study areas in the east Chi-lien mountains. The plant species, coverage, average height, and above ground biomass were investigated, and the population of aerobic N-fixing bacteria and anaerobic N-fixing bacteria in the soil were measured. The levels of soil N-fixing bacteria relative to total soil bacteria were determined by the levels of real-time PCR-amplifiednifHgene present in the different degraded grasslands. These methods showed how vegetation and soil N-fixing bacteria changed and how these changes were regulated as the degradation process progressed. The results showed that plant species abundance decreased; the dominant species varied; poisonous weed numbers gradually increased; and the height, coverage, and above ground biomass of the vegetation all decreased as the degradation process progressed. The lightly degraded grassland had up to 20 species, whereas there were only 11 in the severely degraded grassland. At first, there was only one dominant species,Elymusnutans, but this gradually evolved into two species,ElymusnutansandPotentillachinensis, as degradation progressed. The poisonous weeds that appeared includedAchnatheruminebriansandStellerachamaejasme. The medially degraded and severely degraded grassland ground biomass was lower by 47.2% and 92%, respectively, than that of the lightly degraded grassland, and the average height of the severely degraded grassland decreased by 42.3 cm. Vegetation coverage also showed similar trends. The population of aerobic self N-fixing bacteria and anaerobic N-fixing bacteria was affected by the degree of degradation and the soil depth. The further grassland degradation had progressed and the deeper the soil layer, the lower were the number of self N-fixing bacteria. The examination of genetically amplifiednifHshowed that the ratio of soil self N-fixing bacteria to total soil bacteria declined. In the surface soil, the proportion of the bacteria made up of self N-fixing bacteria in the medium degraded grassland was lower by 26.9% than that of the lightly degraded grassland. In the severely degraded grassland, the proportion of self N-fixing bacteria was lower by 13.2% than that in the relatively medially degraded grassland, and the proportions were similar across all soil layers. This showed that the population of soil self N-fixing reduced, and that there was a degradation of community structure. The correlation analysis indicated a significant correlation between the vegetation characteristics and the population of soil self N-fixing bacteria. In summary, grassland degradation gradually reduced ground vegetation height, coverage, and aboveground biomass, and increased the numbers of poisonous weeds. It also reduced the numbers of soil self N-fixing bacteria numbers and had negative effects on soil microbial community structure. This jndicates a correlation between the grassland degradation process and soil self N-fixing bacteria. These results show that the soil functional flora, especially the role of soil self N-fixing bacteria, must be considered when researching and managing grassland degradation.

alpine grassland; grassland degradation; vegetation characteristics; N-fixing bacteria;nifHgene

國家自然科學基金項目(31360584)；農(nóng)業(yè)部國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-35)

2016- 04- 01; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 22

10.5846/stxb201604010598

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yaotuo@gsau.edu.cn

李建宏,李雪萍,盧虎,姚拓,王理德,郭春秀,師尚禮.高寒地區(qū)不同退化草地植被特性和土壤固氮菌群特性及其相關(guān)性.生態(tài)學報,2017,37(11):3647- 3654.

Li J H, Li X P, Lu H, Yao T, Wang L D, Guo C X, Shi S L.Characteristics of, and the correlation between, vegetation and N-fixing soil bacteria in alpine grassland showing various degrees of degradation.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3647- 3654.